A cooperative serious game supported by robotic therapy for upper limb stroke rehabilitation

Damages to the central nervous system affect a growing number of people every year, particularly in old age; the causes of these damages are different, stroke as first of them. Consequences are visuospatial and sensory-motor deficits, cognitive impairments and collateral psychological effects. The rehabilitation path has to exploit the great neuronal plasticity and the "redundancy" of nerve activations that characterize our brain and provides for learning strategies based on the affected limb training; in order to be effective it has to be long-term, intensive and repetitive; therefore the patient has to be motivated to go on with it, even in a social environment made of interpersonal relationships that suddenly changed. The aim of this thesis work was therefore to build a new robotic rehabilitation tool supported by augmented reality: the so-called Serious Games realized here (i.e. videogames that allow a greater involvement of a patient thanks to the combination of the videogame itself and a real physical activity) provide for the simultaneous presence of two patients (or of a patient and a family member), who are asked to collaborate in achieving a common purpose. Considered game paradigms are based on actions and movements that follow as closely as possible those involved in the normal Activities of Daily Life (ADLs), such as the visual guided reaching movement. Two collaborative games have been designed and developed in Unity3D; the interface of the players depends on the specific rehabilitation goal that can be obtained using multiple devices. For the first prototype, two devices have been integrated: an arm reaching control device based on inertial sensors on the upper limb and a joystick commanded by the wrist motion. For one of the two games, a feasibility study has been conducted; performance and usability analysis of this first prototype version of the tool produced satisfying outcomes, especially about the collaborative modality, much appreciate by all the subjects considered.

I danni al sistema nervoso centrale colpiscono un numero sempre crescente di persone ogni anno, in particolare in età anziana; le cause di questi danni sono diverse, prima fra tutte l'ictus. Le conseguenze sono deficit visivo-spaziali e sensori-motori, disturbi cognitivi ed effetti psicologici collaterali. Il percorso di riabilitazione deve sfruttare la grande plasticità neuronale e la "ridondanza" delle attivazioni nervose, che caratterizzano il nostro cervello e prevede strategie di apprendimento basate sull'allenamento dell'arto danneggiato; per essere efficace la terapia deve essere a lungo termine, intensiva e ripetitiva; quindi il paziente deve essere motivato a continuarla, anche in un ambiente sociale costituito da relazioni interpersonali che sono cambiate improvvisamente. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato dunque quello di costruire un nuovo strumento di riabilitazione robotica supportato dalla realtà aumentata; i cosiddetti Serious Game realizzati qui (cioè videogiochi che consentono un maggiore coinvolgimento del paziente grazie alla combinazione del videogioco stesso e una reale attività fisica) prevedono la presenza simultanea di due pazienti (o di un paziente e di un famigliare), a cui viene chiesto di collaborare per raggiungere uno scopo comune. I paradigmi di gioco considerati sono basati su azioni e movimenti che seguono il più possibile quelli coinvolti nelle normali attività della vita quotidiana (ADL = Activities of Daily Life), come il movimento di raggiungimento visivo guidato. Due giochi collaborativi sono stati progettati e sviluppati in Unity3D; l'interfaccia dei giocatori dipende dall'obiettivo riabilitativo specifico che può essere ottenuto usando diversi dispositivi. Per il primo prototipo sono stati integrati due dispositivi: uno per il controllo del movimento di raggiungimento, basato su sensori inerziali posti sull'arto superiore e un altro che consiste in un joystick comandato dal movimento del polso. Per uno dei due giochi è stato condotto uno studio di fattibilità; l'analisi della performance e dell'usabilità di questa prima versione prototipo ha prodotto esiti soddisfacenti, soprattutto riguardo la modalità collaborativa, molto apprezzata da tutti i soggetti considerati.